2第二章 压力检测仪表

化工仪表及自动化第二章压力检测仪表第一节概述概述3在化工生产中,压力是指由气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力。在工业生产过程中,压力往往是重要的操作参数之一。压力的检测与控制,对保证生产过程正常进行,达到高产、优质、低消耗和安全是十分重要的。压力表示受力面积。表示垂直作用力；表示压力；式中，SFpSFp压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）211mNPaPaMPa610114第一节压力单位及测压仪表为了使大家了解国际单位制中的压力单位（Pa或MPa）与过去的单位之间的关系，下面给出几种单位之间的换算关系表。5绝对压力、表压、负压（真空度）的关系大气压力绝对压力表压ppp7在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。绝对压力大气压力真空度ppp当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。p表P真P绝P绝大气压力线零线绝对压力、表压、负压（真空度）的关系压力的概念绝对压力——以完全真空（绝对压力零位）作参考点的压力，称为绝对压力，用符号Pi表示。大气压力——由地球表面大气层空气柱重力所产生的压力，称为大气压力，用符号Po表示。表压力——以大气压力为参考点，大于或小于大气压力的压力称为表压力，工业上所用的压力仪表指示值多数为表压力。差压（力）——任意两个相关压力之差称为压差。用△P表示。压力的单位在国际单位制中，压力的单位是“牛顿/平方米”，用符号“N/m2”表示；压力单位又称为“帕斯卡”或简称“帕”，用符号Pa表示。1Pa=1N/㎡。帕的单位很小，因此工程常用千帕或兆帕来表示压力大小。我国已规定帕斯卡为压力的法定计量单位。压力单位的换算由于历史发展的原因、单位制的不同以及使用场合的差异，压力还有多种不同的单位，各种压力单位之间的换算关系列表2-2-1所示：压力的单位第二节压力检测方法压力检测方法根据测压原理的不同，压力检测方法主要有以下几类：一、重力平衡法这种方式是按照压力的定义，通过直接测量单位面积上所受力的大小来检测压力。如液柱式压力计和活塞式压力计。压力检测方法压力检测方法二、弹性力平衡法弹性力平衡法是利用弹性元件受压力作用发生弹性形变而产生的弹性力与被测压力相平衡的原理来检测压力。弹性元件受压力作用下会因发生弹性形变而产生弹性力，当弹性力与被测压力相平衡时，其弹性形变的大小反应了被测压力的大小，因此可以通过弹性元件位移变形的大小测出被测压力。压力检测方法三、物性测量法物性测量法是根据压力作用于物体后所产生的各种物理效应来实现压力测量。第三节常用压力检测仪表弹性压力计基本组成常用压力检测仪表主要分弹性压力计和电测式压力计两种。一、弹性压力计弹性压力计根据所用弹性元件的不同构成了多种形式的弹性压力计：图2-2-2弹性压力计基本组成弹性元件弹性压力计的测压性能主要取决于弹性元件的弹性特性，它与弹性元件的材料、加工和热处理质量有关，同时还与环境温度有关。弹性元件1.弹簧管：又称波登管（法国人波登发明），是一根弯成圆弧状、管截面为扁圆形的空心金属管，其一端封闭并处于自由状态，另一端开口为固定端，被测压力由固定端引入弹簧管内腔。特点：测量范围大，可用于高、中、低压或真空度的测量。2.波纹管：是一端封闭的薄壁圆管，壁面是环状波纹。被测压力从开口端引入，封闭端将产生位移。特点：位移相对较大，灵敏度高，用于低压或差压测量。3.弹性膜片：是外缘固定的片状弹性元件，有平膜片、波纹膜片和挠性膜片几种形式，其弹性特性由中心位移与压力的关系表示，用于低压、微压测量。特点：平膜片位移很小，波纹膜片压有正弦、锯齿或梯形等环状同心波纹，挠性膜片仅用作隔离膜片，需与测力弹簧配用。弹簧管压力计弹簧管式压力计是工业生产上应用很广泛的一种测压仪表，以单圈弹簧管结构应用最多。特点：结构简单，使用方便，价格低廉，测压范围宽，准确度高单圈弹簧管压力计结构弹性式压力计分类使用的测压元件单圈弹簧管压力表与多圈弹簧管压力表。用途普通弹簧管压力表，耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。1—弹簧管；2—拉杆；3—扇形齿轮；4—中心齿轮；5—指针；6—面板；7—游丝；8—调整螺丝；9—接头弹簧压力表弹性式压力计基本测量原理单圈弹簧管是一根弯成270°圆弧的椭圆截面的空心金属管子。管子的自由端B封闭，另一端固定在接头９上。当通入被测的压力p后，由于椭圆形截面在压力p的作用下，将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生扩张变形。同时，使弹簧管的自由端B产生位移。输入压力p越大，产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端B的位移成正比，所以只要测得B点的位移量，就能反映压力p的大小。注意：弹簧管自由端B的位移量一般很小，直接显示有困难，所以必须通过放大机构才能指示出来。14弹性式压力计在化工生产过程中，常需要把压力控制在某一范围内，即当压力低于或高于给定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。这时就应采用带有报警或控制触点的压力表。将普通弹簧管压力表稍加变化，便可成为电接点信号压力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。警惕！弹性式压力计图2-4电接点信号压力表1，4—静触点；2—动触点；3—绿灯；5—红灯压力表指针上有动触点2，表盘上另有两根可调节指针，上面分别有静触点1和4。当压力超过上限给定数值时，2和4接触，红色信号灯5的电路被接通，红灯发亮。若压力低到下限给定数值时，2与1接触，接通了绿色信号灯3的电路。1、4的位置可根据需要灵活调节。波纹管压力计双滤波管差压计结构1-连接轴；2-保护阀；3-阻尼环；4-推板；5-扭力管；6-心轴；7-量程弹簧；8-平衡阀；9-低压波纹管；10-摆杆；11-阻尼阀；12-中心基座；13-高压波纹管；14-填充液膜式压力计膜式压力计有膜片压力计和膜盒压力计两种。膜片压力计主要用于测量腐蚀性介质或非凝固、非结晶的粘性介质的压力，膜盒压力计常用于测量气体微压和负压。原理：膜片四周固定，当通入压力后，两侧面存在压差时，膜片将向压力低的一侧弯曲，膜片中心产生一定的位移，通过传动机构带动指针转动，指示出被测压力。弹性压力计信号远传方式弹性压力计一般为直读式仪表，也可以将弹性元件的变形转换为电信号输出.（a）为电位器式。比较简单，有很好的线性输出，可靠性较差。（b）为霍尔式。结构简单，灵敏度高，寿命长，对外部磁场敏感，耐振性差。（c）差动变压器式。性好、附加力小、位移范围较大，处于中央位置时输出不为零。电测式压力计能够测量压力并提供远传电信号的装置称为压力传感器.能将压力信号转换成工业标准信号（如4～20mA直流电流）输出，则称为压力变送器。电测式压力传感器分为：应变式、电容式、振频式、压电式、光电式、光纤式、超声式。应变式压力传感器应变式压力传感器是一种通过测量弹性元件因压力的作用而产生的应变来间接测量压力的传感器，它由弹性元件、应变片及测量电路等组成。特点：具有准确度高、体积小、重量轻、测量范围宽等优点，同时抗振动、抗冲击性能良好。但应变片阻值受温度影响较大，需要考虑温度补偿。应变筒式压力传感器当应变筒内腔承受压力时，薄壁筒表面的周向应力最大，相应的周向应变ε为：式中：p—被测压力；E—应变筒材料的弹性模量；μ—应变筒材料的泊松比；D—应变筒外径；d—应变筒内径。优点：应变筒式压力传感器结构简单，制造方便，能进行静、动态压力测量，测量范围也比较宽。图2-2-8应变筒式压力传感器)1-/()-2(22dDEp平膜式压力传感器平膜片式压力传感器结构如图2-2-9所示。弹性元件上粘贴有如图2-2-10（a）所示的箔式组合应变片。四个应变片组成如图2-2-10（b）所示的电桥，输出相应的电压信号。图2-2-9平膜式压力传感器结构图2-2-10箔式组合应变片平膜式压力传感器对于边缘固定的平圆膜片，当受压力作用时，膜片上任意一点的应变可分为径向应变εr和切向应变εt，其值与压力p的大小和该点到膜片中心的距离r有关：式中：p—被测压力；E—膜片材料弹性模量；μ—膜片材料的泊松比；r0—膜片半径；r—膜片上任意点半径；h—膜片厚度。pEhrr22202r8)3-)(-1(3pEhrr22202t8)-)(-1(3平膜式压力传感器根据如上公式分析可知，在膜片中心处（r=0），径向应变εr和切向应变εt均达到最大值，在膜片边缘处（r=r0），切向应变εt=0，而径向应变εr达到负最大值（压缩应变），优点：结构简单，性能稳定可靠，准确度、灵敏度较高，但频率响应较低，输出线性差。pEhrtr2202maxmax8)-1(3pEhrr2202min4)-1(3压阻式压力传感器压阻式压力传感器是基于半导体材料的压阻效应制成的，它是利用集成电路工艺直接在作为弹性元件的硅平膜片上按一定晶向制成扩散电阻，这样就很容易得到尺寸小、高灵敏度、高自振频率的压力传感器。特点：压阻式压力传感器重复性、稳定性好，工作可靠；灵敏度高，固有频率高；测量范围宽；准确度高；易于微小型化。压阻式压力传感器特别适合在中、低温度条件下的中、低压测量。压力传感器的变送电路工业上广泛采用4～20mA直流电流作为标准信号来传输模拟量。电流输出型变送器有4线制、3线制、2线制等几种。长距离传输时以2线制变送器最为经济、方便，因而应用最多。图2-2-12是一种2线制的压阻式差压传感器的变送器电路，由应变电桥、恒流源、温度补偿网络、放大及电压-电流转换等几部分组成，采用24V直流供电。电容式压力传感器电容式压力传感器采用变电容测量原理，将被测压力引起的弹性元件的位移变形转变为电容的变化，测出电容量，便可知道被测压力的大小。1.差动变极距式电容压力传感器对于平板电容，在被测压力作用下，电容值C会因两平行板间距d发生的微小变化而变化。特点：有较高的灵敏度，但当位移较大时传感器非线性严重；可改善非线性、提高灵敏度、并可减小因极板间电介质的介电常数ε受温度影响而引起的不稳定性。变面积式电容压力传感器优点：灵敏度高，输出信号大；测量准确度高；结构简单、牢固，可靠性高，环境适应性强，能承受高过载，耐冲击与振动，可在高温条件下工作；由于可动极板质量小，故传感器固有频率高，动态响应快。图2-2-13（a）变面积式电容压力传感器图2-2-13（b）陶瓷电容式压力传感器谐振式压力传感器谐振式压力传感器是靠被测压力所形成的应力改变弹性元件的谐振频率，通过测量频率信号的变化来检测压力。根据谐振原理可以制成振筒、振弦及振膜式等多种型式的压力传感器。振筒有一定的固有频率，当被测压力作用于筒壁时，筒壁内应力增加使其刚度加大，振筒固有频率相应改变。振筒固有频率与作用压力的关系可近似表示为：式中：fp—为受压后的振筒固有频率；f0—为筒内外压力相等时的固有频率；α—为振筒结构系数；p—为被测压力。pffp10谐振式压力传感器图2-2-14（a）振筒式压力传感器结构图2-2-14（b）振筒式压力传感器谐振式压力传感器激振线圈使振筒按固有频率振动，受压前后的频率变化可由检测线圈检出。图2-2-15为振筒式压力传感器的检测与驱动电路原理图。特点：适用于气体压力的测量，其体积小，输出频率信号，重复性好，耐振；准确度高，且有良好的稳定性。图2-2-15振筒式压力传感器电路原理压电式压力传感器由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：式中，Q—电荷量；k—压电常数；S—作用面积；p—压力。kSpQ图2-2-16（a）压电式压力传感器结构图2-2-16（b）压电式压力传感器模拟式、智能变送器1.模拟式变送器电容式、振弦式、扩散硅式等模拟式变送器是20世纪70年代开发出来的一代变送器，和上一代杠杆式变送器相比，具有许多优点：（1）结构简单。它们是基于微位移检测和转换技术，是微位移平衡式变送器，体积